锡基负极材料在放电过程中结构演化的研究.docx

《锡基负极材料在放电过程中结构演化的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锡基负极材料在放电过程中结构演化的研究.docx（12页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、锡基负极材料在放电过程中结构演化的研究齐齐哈尔大学王秀秀1，刘晓旭2,刘艳芬3,贾宏葛1，顾晓华1，李淑华1，张循海1，邢雪青4,吴忠华4,吴昭君5,程伟东1(1齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，黑龙江齐齐哈尔1610062陕西科技大学材料科学与工程学院，陕西西安7100213齐齐哈尔大学理学院，黑龙江齐齐哈尔1610064中国科学院高能物理研究所，北京IOO0495齐齐哈尔大学教学实验设备管理中心，黑龙江齐齐哈尔161006)(Journa1OfPhysicsandChemistryofSo1ids2023.03.11)程伟东副教授中文摘要：Sn2由于其较高的理论容量吸引了大量科学研究者的注意

2、。但是，在充放电过程中SnCh会发生粉碎和聚集现象，人们对于SnO2的电化学反应机理及其对锂离子存储性能的影响并不清楚。本文采用TEM,SEM,XRD,XPS,FTIR,TG/DTG和BET技术表征了SnO2-碳凝胶(CA)复合材料。SnO2-CA负极材料表现出优异的循环性能和倍率性能。使用原位掠入射小角X射线散射技术(G1SAXS)研究了SnOz-CA纳米结构的演化过程。G1SAXS测试结果表明，在首次锂化过程中，由于内应力的存在，SnO2纳米颗粒出现了开裂，与此同时，在锂离子插入过程中，孔隙、孔洞以及空腔的体积也略有扩大。本文初步提出了一个描述SnOz-CA负极在首次放电过程中纳米结构演化

3、过程的原理模型。这些结果将有助于进一步理解锡基纳米负极材料的复杂反应机理，并为设计新型电极材料提供了有价值的参考。英文摘要：Sno2hasattractedgreatattentionatenergystorageduetothehighcapacity.Thee1ectrochemica1conversionbehaviorofSnO2aswe11asitsinf1uenceontheIithium-Storageperformanceremainsunc1earbecauseofitspu1verizationandaggregation.Inthispaper,SnO2-carbonae

4、roge1(CA)compositeswerecharacterizedbyTEM,SEM,XRD,XPS,FTIR,TG/DTGandBET.SnO2-CAanodemateria1sexhibitexce11entcyc1ingstabi1ityandastrongratecapacity.Thenanostructura1evo1utionofSnO2-CAasanodemateria1werestudiedbyinsitue1ectrochemica1-grazingincidencesma11ang1eX-rayscattering(GISAXS)technique.Thenanos

5、tructura1evo1utionofSnO2nanopartic1esareobservedandsubsequent1ysomecracksoccurthatresu1tfromtheexistenceoftensionstressduringthefirstdischargeprocess.Atthesametime,thevo1umesofinterspacesandnanoporesa1soexpands1ight1yduring1i-ioninterca1ationprocess.Aschematicmode1hasbeententative1yproposedtodescrib

6、ethefirstIithiationofSnO2-CAanode.Itisfirm1ybe1ievedthattheseresu1tswi11he1pfurtherunderstandingofthecomp1icatedreactionmechanismofnanostructuredSn-basedanodemateria1sandprovideava1uab1einsightintodesigningnewe1ectrodemateria1s.关键词：GISAXS技术；纳米结构；锂离子电池；负极材料；二氧化锡国家级大学生创新创业训练计划支持项目()作者简介：王秀秀(1999-),女，山

7、东济宁人，无机非金属材料工程专业，2018级，主要从事同步辐射技术在纳米材料上的应用研究。一、介绍电化学储能技术是目前便携式电子设备、电动汽车、可再生能源储能系统等诸多领域中最受欢迎的技术口-刃。由于锂离子电池具有高能量密度和无污染的优点，是目前便携式电子产品的主要电源，并在即将到来的大规模应用中显示出巨大的前景4,5。可充电电池的快速发展,很大程度上归功于对电池电极深入研究。虽然石墨负极已经商业化，但其低理论容量(372mAhg)已不足以满足人们对高能量密度电池的使用要求。由于锡基氧化物具有较高的理论可逆容量(78ImAh/g)、低毒性和广泛的可用性，因此被认为是石墨的潜在替代品I。尽管Sn

8、o2材料作为负极具有较高的理论比容量，但由于较大的体积膨胀(约300%),限制了其在锂离子电池中的应用。以往的研究表明，碳基材料可以解决S1IO2颗粒不可避免的粉化问题卜-川。碳凝胶(CAS)是一种独特的纳米多孔碳材料，具有可调节的三维网络骨架结构，能适应循环过程中严重的体积变化并减缓纳米颗粒的聚集。碳凝胶的高比表面积、连续的孔隙、导电性和化学稳定性使它们成为了非常有前景的能源应用材料9，皿。研究表明，在初始循环过程中，S1IO2会发生不可逆的转化反应，形成金属锡和1izO,随后Sn与锂发生可逆的合金/脱合金化反应口引。SnO2+41i+4e21i2O+Sn(1)Sn+X1i+Xe-V1ixS

9、n(0x285.0eV287.0eV和289.4eV的峰分别对应着C=C、C-CC=C)和O-C=C)口*。(n)MSU3U】(ng-CSUWUI2952902852801400120010008006004002000BindingEnergy(eV)545540535530525?包S11NU1(n1o营SUo1U1BindingEnerv(eV)BindingEnersv(eV)500495490485480BindingEnergy(eV)图2(a)IOSnC)2-CA的XPS图谱；(b)C元素的XPS图谱；(C)O元素的XPS图谱；(d)Sn元素的XPS图谱如图3(a)所示，3420

10、Cm-I处的宽峰对应着-OH的伸缩振动，这可归因于从空气中吸收的水1。1122和2920Cm-I处的特征带分别与C-C)和-CH2-伸缩振动有关RM。此外，CAS在1581Cm-I处也显示出一个特征峰，这归因于芳香环上C-C的伸缩振动刈。1384Cm-I处的峰属于C-HMo图3(b)为SnO2-CA的FTIR谱图。在653Cm-I附近观察到的强烈振动，对应于锡氧化物的反对称Sn-O-Sn键的伸缩振动工网。图3(a)CA的FTIR图谱；(b)SnO2-CA的FTIR图谱采用TG-DTG分析方法，分析了CAS和S1IO2-CA的热/化学稳定性(图4(a)。在32口下观察到的吸热峰可以归因于被吸收的

11、水的蒸发。同时，在80-700口之间几乎没有失重现象。这表明，在700口,N2氛围中，CAS具有良好的热稳定性和化学稳定性。在100口以下的重量损失归因于水的蒸发和残留无机物挥发。Sno2-CA的第二次失重发生在500口左右，在此温度下SnO2发生了分解。图4(a)SnO2含量不同的SnO2-CA复合材料的TG-DTG曲线；(b)SnO2-CA的N2吸脱附曲线和孔径分布曲线；(C)IoSne)2-CA的XRD图图4(b)采用N2吸脱附方法表征了S11O2-CA的多孔结构。吸脱附曲线属于典型的第IV类曲线，并伴有H2滞后环，说明复合物是一种无序的介孔结构，从孔径分布曲线可以看出，10Sno2-C

12、A的孔隙体积大于20SnO2-CA,有利于锂离子的扩散。表1为SnO2-CA的孔径、BET比表面积和孔容数据表。随着SnO2纳米粒子的增加，部分孔被堵塞，这导致了锂存储容量的下降。IOSnO2-CA和20SnO2-CA的结构参数Samp1esPoresizenmSurfaceaream2gPorevo1umecc/gIOSnO2-CA12.439232.3990.40320SnO2-CA3.818133.2680.254通过XRD测定了IOSnO2-CA的晶体结构和物相组成，如图4(c)所示。从图谱中可以看出，合成的Sno2为四方金红石结构(P42mnm),26.61。、33.89。、37.95。和51.78。四个主要衍射峰，分别对应Sno2晶体的(110)、(101)、(200)和(211)的晶面。合成的纳米Sno2纯度较高并具有较高的结晶性。此外，在20=20-50。附近还表现出一个宽峰，与无定形碳相对应，揭示了CA基体的无定形性质。在23。、44。、122。和131。处的衍射峰，可以认为是部分石墨化的碳卬。图5Sn2含量不同的S1IO2-CA复合材料的(a)循环性能曲线；(b)倍率性能曲线；(C)IOSnO2-CA的充放电曲线；(